ФЕРРИТОВЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2007 года по МПК H01F1/34 

Изобретение относится к технике СВЧ, в частности к ферритовым материалам, предназначенным для создания невзаимных развязывающих СВЧ устройств: вентилей, циркуляторов, работающих в интервале температур -60-+85°С, миллиметрового диапазона длин волн.

Создание указанных невзаимных развязывающих СВЧ-устройств требует ферритовых материалов, обладающих:

- высокими значениями намагниченности насыщения - J_s порядка - 380 кА/м;

- низкими значениями температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s порядка менее 0,1%/град в рабочем интервале температур -60-+85°С миллиметрового диапазона длин волн;

- высокой стабильностью значений намагниченности насыщения в вышеуказанном интервале температур;

- низкими значениями тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь - (tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ)) порядка 6×10^-4.

Ферритовые материалы параметрического ряда LiZn в совокупности с другими компонентами могут обеспечивать указанные параметры.

Известен ферритовый материал на основе Li-феррошпинели [1], содержащий следующие компоненты, вес.%:

Оксид лития Li₂О3,01-3,53Оксид титана TiO₂0,1-2,97Оксид цинка ZnO4,11-4,22Оксид марганца MnO₂2,21-6,47Оксид ниобия Nb₂О₅1,32-2,36Оксид железа Fe₂O₃81,48-88,21

Рентгеноструктурный анализ данного ферритового материала показывает наличие основной фазы шпинели и второй фазы - LiNbO₃, образующейся в результате взаимодействия оксидов лития и ниобия, который:

- во-первых, распределясь по границам зерен, препятствует их росту и тем самым обеспечивает высокую однородность микроструктуры - зернистость, низкую пористость и высокую плотность,

- во-вторых, ниобат лития (LiNbO₃) является хорошим диэлектриком с сопротивлением, равным 10¹⁴ Ом/см и его наличие в ферритовом материале в совокупности с оксидом марганца обеспечивает ферритовому материалу низкие значения тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь (tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ)) порядка 6×10^-4 в миллиметровом диапазоне длин волн.

Наличие оксида титана в ферритовом материале в совокупности с оксидом цинка с одной стороны повышает значения намагниченности насыщения - J_s, но с другой стороны уменьшает температуру Кюри - а, следовательно, увеличивает значения температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s.

Таким образом, данный ферритовый материал обладает высокими значениями намагниченности насыщения - J_s порядка 360 кА/м, низкими значениями тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь (tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ)) порядка 6×10^-4 и высокими значениями температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s порядка 0,15%/град, последнее затрудняет использование данного ферритового материала в невзаимных развязывающих СВЧ-устройствах, работающих в интервале температур -60-+85°С, миллиметрового диапазона длин волн, из-за:

- во-первых, повышения требований к настройке параметров невзаимных развязывающих СВЧ-устройств, связанные с запасом по прямым и обратным потерям в рабочей полосе частот при комнатной температуре,

- во-вторых, низкого выхода годных невзаимных развязывающих СВЧ-устройств, способных работать в указанном выше интервале температур.

Известен ферритовый материал на основе Li-феррошпинели, содержащей, вес.%:

Оксид лития Li₂O2,62-3,5Оксид титана TiO₂0,09-2,95Оксид цинка ZnO3,76-3,98Оксид марганца MnO₂2,14-5,77Оксид ниобия Nb₂O₅1,31-2,06Оксид молибдена МоО₃0,78-1,11Оксид железа Fe₂О₃84,60-85,35

прототип [2].

Рентгеноструктурный анализ данного ферритового материала показывает, как и в первом аналоге, наличие основной фазы шпинели и второй фазы - LiNbO₃, который обеспечивает вышеназванные преимущества ферритового материала - аналога, а именно достаточно высокие значения намагниченности насыщения - J_s, низкие значения тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь (tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ)) порядка 6,8×10^-4 и данному ферритовому материалу.

Кроме того, наличие в данном ферритовом материале дополнительно оксида молибдена обеспечивает по сравнению с аналогом еще более повышение намагниченности насыщения - J_s порядка 380 кА/м, а также уменьшение значений температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s порядка 0,1%/град.

Однако и данные значения температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s ферритового материала являются недостаточными для использования и данного ферритового материала в невзаимных развязывающих СВЧ-устройствах, работающих в интервале температур -60-+85°С, миллиметрового диапазона длин волн.

Кроме того, данный ферритовый материал отличается низкой стабильностью значений намагниченности насыщения - J_s в вышеуказанном интервале температур, что определяет и низкий выход годных невзаимных развязывающих СВЧ-устройств.

Техническим результатом изобретения является снижение значений температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s, повышение выхода годных невзаимных развязывающих СВЧ-устройств путем повышения стабильности значений намагниченности насыщения - J_s в рабочем интервале температур -60-+85°С при сохранении высоких значений намагниченности насыщения - J_s и низких значений тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь (tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ)) миллиметрового диапазона длин волн.

Технический результат достигается тем, что известный ферритовый материал на основе Li-феррошпинели, содержащий оксиды лития, титана, цинка, марганца, железа, дополнительно содержит фторид лития в количестве 0,20-0,40 при следующем соотношении компонентов, вес.%:

Оксид лития Li₂O2,753-3,39Оксид титана TiO₂0,001-5,71Оксид цинка ZnO7,67-7,903Оксид марганца MnO₂4,12-6,21Оксид железа Fe₂О₃76,98-83,285Фторид лития LiF0,20-0,40

Наличие фторида лития в количестве 0,20-0,40 в совокупности с другими компонентами и указанном их соотношении в ферритовом материале обеспечивает:

- во-первых, снижение значений температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s в рабочем интервале температур -60-+85°С,

- во-вторых, стабильность значений намагниченности насыщения - J_s в вышеуказанном интервале температур.

Это стало возможным в результате замещения ионов кислорода с отрицательной валентностью О^-2 на более электроотрицательный ион фтора F^1-, что приводит к образованию цепочек в кристаллической решетке в виде октаэдров (FeO_6-xF_x) и тетраэдров (Fe₃O_4-xF_x), и, как следствие, к уменьшению параметров кристаллической решетки с 8,375 до 8,361-8,367 Å, что в свою очередь приводит к усилению обменного процесса взаимодействия вышеназванных цепочек и, как следствие, как было сказано выше:

- во-первых, снижению значений температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s в рабочем интервале температур -60-+85°С,

- во-вторых, повышению стабильности значений намагниченности насыщения - J_s в вышеуказанном интервале температур.

При этом указанное соотношение компонентов обеспечивает сохранение высоких значений намагниченности насыщения - J_s и низких значений тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь (tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ)) миллиметрового диапазона длин волн.

Последние обеспечиваются в том числе снижением электропроводности ферритового материала благодаря наличия в нем фторида лития.

Наличие фторида лития в количестве менее 0,20 и более 0,40 вес.% нежелательно, так как приводит:

- во-первых, к образованию низкой однородности микроструктуры - разнозернистости, повышению пористости и снижению плотности,

- во-вторых, к повышению значений температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s,

- в-третьих, увеличению значений тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь (tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ)).

Пример 1.

Ферритовый материал изготавливают по стандартной керамической технологии.

Берут оксид лития, оксид титана, оксид цинка, оксид марганца, оксид железа, фторид лития в количестве в вес.% 3,18, 3,78, 7,67, 4,12, 81,25, 0,3 соответственно.

При этом фторид лития берут сверхстехиометрического состава.

Затем смесь исходных компонентов прокаливают последовательно при следующих температурах и в течение времени:

400°С - 1 час,

500°С - 2 часа,

725°С - 5 часов,

после чего шихту размалывают, вводят в нее раствор поливинилового спирта, прессуют из нее заготовки и проводят их окончательное спекание последовательно при следующих температурах и в течение времени:

100°С - 1 час,

200°С - 1 час,

350°С - 2 часа,

1050-1125°С - 7 часов, при скорости нагрева, равной 100°С/час.

После окончания спекания образцы ферритового материала охлаждают до 700°С, при скорости охлаждения, равной 100°С/час.

Примеры 2-5.

Аналогично были изготовлены образцы ферритового материала, но при других соотношениях компонентов, как указанных в формуле изобретения (примеры 2-3), так и выходящих за ее пределы (примеры 4-5).

Также были изготовлены образцы ферритового материала согласно соотношению компонентов прототипа.

На изготовленных образцах ферритового материала были измерены значения температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s в рабочем интервале температур -60-+85°С, значения намагниченности насыщения - J_s, значения тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь

(tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ)).

Результаты приведены в таблице 1.

Как видно из таблицы, образцы ферритового материала, изготовленные при соотношении компонентов, в том числе и фторида лития, указанные в формуле изобретения (примеры 1-3) имеют:

- низкие значения температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s порядка 0,058%/град,

- высокие значения намагниченности насыщения - J_s порядка 380 кА/м,

- низкие значения тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь (tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ)) порядка (7,0-8,2)×10^-4.

Образцы же ферритового материала, изготовленные при соотношении компонентов, в том числе и фторида лития, выходящих за пределы, указанные в формуле изобретения (примеры 4-5), имеют высокие значения температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s порядка 0,13%/град. Кроме того, наблюдается значительное повышение значений тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь (tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ)) (порядка (1,3-1,7)×10^-3.

Таким образом, предложенный ферритовый материал по сравнению с ферритовым материалом, описанным в прототипе имеет:

- во-первых, низкие значения температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s порядка 0,058%/град (прототип порядка 0,07%/град) в рабочем интервале температур -60-+85°С,

- во-вторых, обеспечивает стабильность значений намагниченности насыщения - J_s, а следовательно, повышение выхода годных невзаимных развязывающих СВЧ-устройств, работающих в вышеуказанном интервале температур.

При этом предложенный ферритовый материал сохраняет:

- высокие значения намагниченности насыщения - J_s порядка 380 кА/м,

- низкие значения тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь (tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ)) порядка (7,0-8,2)×10^-4.

Это позволит использовать предлагаемый ферритовый материал для создания невзаимных развязывающих СВЧ-устройств: вентилей, циркуляторов, работающих в интервале температур -60-+85°С, миллиметрового диапазона длин волн.

Источники информации

1. Патент РФ №2247436, МПК⁷ H 01 F 1/34, опубл. 27.02.05 г., бюл. №6.

2. Патент РФ №2247437, МПК⁷ H 01 F 1/34, опубл. 27.02.05 г., бюл. №6.

№№ п/пСоотношение компонентов, вес.%Результаты измерений параметров образцов ферритового материалаLi₂OTiO₂ZnOMnO₂Fe₂O₃LiFМоО₃Nb₂O₅TKJ_s %/град -60-+85°СJ_s кА/м(tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ))13,183,787,674,1281,250,30  0,083607,6×10^-422,7530,0017,9036,05883,2850,20  0,113808,2×10^-433,395,717,716,2176,980,40  0,0583407,0×10^-443,183,787,674,1281,250,08  0,153601,3×10^-353,183,787,674,1281,250,50  0,133501,7×10            Прототип2,951,33,854,0385,09-0,931,850,13806,8×10^-4 2,620,093,765,7784,60-1,112,060,134057,5×10^-4

Изобретение относится к области металлургии, а именно к ферритовым материалам, используемым в технике СВЧ. Техническим результатом изобретения является снижение значений температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s, повышение выхода годных невзаимных развязывающих СВЧ устройств путем повышения стабильности значений намагниченности - J_s в рабочем интервале температур -60-+85°С при сохранении высоких значений намагниченности насыщения - J_s и низких значений тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь в миллиметровом диапазоне длин волн. Технический результат достигается тем, что предложен ферритовый материал на основе Li-феррошпинели, содержащий оксиды лития, титана, цинка, марганца, железа и фторид лития при следующем соотношении компонентов, в вес.%: оксид лития Li₂O - 2,753-3,39, оксид титана TiO₂ - 0,001-5,71, оксид цинка ZnO - 7,67-7,903, оксид марганца MnO₂ - 4,12-6,21, оксид железа Fe₂О₃ - 76,98-83,285, фторид лития LiF - 0,20-0,40. 1 табл.

Ферритовый материал на основе Li-феррошпинели, содержащий оксиды лития, титана, цинка, марганца, железа, отличающийся тем, что ферритовый материал дополнительно содержит фторид лития при следующем соотношении компонентов, вес.%:

Оксид лития Li₂O2,753-3,39Оксид титана TiO₂0,001-5,71Оксид цинка ZnO7,67-7,903Оксид марганца MnO₂4,12-6,21Оксид железа Fe₂O₃76,98-83,285Фторид лития LiF0,20-0,40